Regras de roteamento de PCB: largura de rastreamento, espaçamento e opções de fabricação importantes

Cada placa roteada que vemos em nossa fábrica conta uma história sobre as decisões tomadas antes de chegar. Um esquema define a função elétrica, mas o roteamento decide se essa função pode ser fabricada a um custo razoável, dentro de um prazo de entrega realista e com margem suficiente para sobreviver a anos de calor, vibração e estresse de tensão. Em nossa experiência como fabricante de placas de circuito impresso, a maioria dos problemas de produção evitáveis ​​– traços queimados, falhas nas folgas, painéis empenados, revestimento deficiente – remontam a um punhado de regras de roteamento que foram perdidas ou mal compreendidas. Este artigo explica o que realmente envolve o roteamento de uma placa de circuito impresso, quais parâmetros são mais importantes e como definir restrições de roteamento que uma fábrica pode realmente construir sem contestação.

O que realmente envolve o roteamento de uma placa de PC

O roteamento é a etapa do layout em que cada rede elétrica no esquema se torna um caminho físico de cobre. O software pode desenhar esses caminhos automaticamente, mas o resultado é tão bom quanto as restrições fornecidas pelo projetista: largura do traço, espaçamento entre condutores, camadas permitidas, tipos de via e a distribuição de cobre que o processo de gravação e galvanização verá.

A rota também cria planos de referência terrestres, ilhas de energia e caminhos térmicos que fazem um projeto funcionar no mundo real. A colocação dos componentes decide onde as peças ficam; o roteamento decide como eles se conectam. Entre os dois, o roteamento tem maior influência no custo e no rendimento de fabricação, porque a geometria do traço e o equilíbrio do cobre afetam diretamente o modo como a fábrica grava, chapeia e lamina o painel.

Largura do rastreamento: a primeira decisão de rota

A largura do traço é o primeiro número a ser definido porque atende três requisitos ao mesmo tempo: capacidade de corrente, queda de tensão e impedância característica. Os traços de sinal podem ser finos; as redes de energia precisam de seção transversal. A referência utilizada pela maioria das fábricas é IPC-2221. Para 1 onça (35 µm) de cobre em uma camada externa com um aumento de temperatura de 10°C, a capacidade de corrente estimada é aproximadamente a seguinte.

Duas correções são importantes na prática. Os traços nas camadas internas dissipam aproximadamente metade do calor que os traços externos, portanto a tabela atual deve ser reduzida de acordo. E estes valores pressupõem um aumento modesto de 10°C; se o invólucro circundante bloquear o fluxo de ar ou a temperatura ambiente for alta, a corrente segura cai ainda mais. Quando um projeto deve transportar alta corrente sustentada, a rota deve usar um vazamento de cobre, um plano ou uma camada de cobre mais espessa, em vez de um único traço estreito. Nossa linha roteia regularmente placas de cobre de 2 onças a 10 onças de espessura, e as tabelas de largura de traço para esses pesos parecem muito diferentes dos valores de 1 onça acima.

Folga e espaçamento: defina-os para tensão, não apenas para verificação da regra de projeto

A folga é a distância entre dois recursos de cobre: traço a traço, traço a bloco, bloco a via. Uma verificação de regra de projeto verificará qualquer número digitado na ferramenta CAD, mas o número correto vem da tensão, da integridade do sinal e da capacidade de fábrica, e não de uma regra padrão. Para redes de sinalização de baixa tensão dentro de um produto fechado, é comum 0,1 mm (4 mil) entre traços; nossa capacidade padrão é de 4 mil, e podemos armazenar 3 mil traços e espaço onde a densidade do projeto exigir.

A folga não deve ser um valor global único. Tensão de trabalho, grau de poluição, revestimento, altitude e tensões transitórias influenciam a distância de fuga que um produto necessita. IPC-2221B contém as tabelas de espaçamento versus tensão que os engenheiros de conformidade usam; como regra prática, qualquer rede transportando mais de 50 V, ou qualquer traço encaminhado próximo à borda da placa, deve usar uma folga substancialmente maior do que a regra de projeto padrão.

Para sinais de alta velocidade, o espaçamento controla o acoplamento e a impedância. Um par diferencial casado mantém sua impedância alvo somente quando a lacuna entre os dois traços permanece constante, e o plano de referência abaixo é mais importante do que o valor absoluto da folga. Para circuitos de RF, um traço de 50 Ω é definido por sua largura, espessura dielétrica e distância ao plano de terra abaixo dele.

Empilhamento de camadas: densidade de roteamento impulsiona custo e prazo de entrega

O número de camadas é a maior decisão de roteamento que um projeto toma. Se duas camadas conseguem lidar com a densidade, um empilhamento de seis camadas é um desperdício de dinheiro. Se o projeto precisar de energia contínua e planos de aterramento, controle rígido de impedância ou distribuição densa de BGA, o empilhamento se moverá para quatro, seis ou mais camadas. Passar de duas para quatro camadas praticamente dobra o custo do processo, porque imagens da camada interna, laminação, alinhamento e etapas adicionais de perfuração são adicionadas à rota. Os prazos de entrega também aumentam com a contagem de camadas. Em nossas instalações na Zona de Desenvolvimento Econômico de Guangde, os prazos de produção publicados por contagem de camadas são os seguintes.

A rota define o empilhamento e o empilhamento define a data de entrega. Se um projeto precisar apenas de 12 camadas porque as camadas externas de sinal são mal utilizadas, uma rota mais limpa de quatro camadas teria chegado em uma fração do tempo. Nossa fábrica constrói de 1 a 32 camadas, e o padrão é consistente: roteamento eficiente reduz o tempo de entrega de forma mais confiável do que qualquer taxa de agilização.

Regras DFM: encaminhe a maneira como uma fábrica grava, placas e laminados

Uma rota que passa nas verificações de netlist e sinal ainda pode falhar no chão de fábrica. A placa deve ser gravada, furada, chapeada e prensada, e cada processo possui limites geométricos. As regras a seguir evitam as falhas repetidas mais comuns.

Equilíbrio e roubo de cobre

Quando uma área de uma camada é sólida e outra está quase vazia, a espessura do revestimento torna-se irregular e a laminação pode deformar o painel. Um bom roteamento distribui cobre em todas as camadas; onde isso for impossível, adicione blocos ladrões ou cobre hachurado. Nossa equipe CAM adiciona roubo durante o ferramental, mas um projeto roteado que chega à revisão de passagens balanceadas mais rapidamente e às chapas de maneira mais uniforme.

Vias e Anel Anular

Cada via precisa de um anel anular: o anel de cobre ao redor do furo que conecta o cano ao traço. Se o anel for muito pequeno, o registro incorreto da broca interrompe a conexão. Um anel anular de no mínimo 4 mil (0,1 mm) é uma regra de trabalho segura para processamento padrão. As vias cegas e enterradas reduzem a contagem de camadas em projetos densos, mas cada tipo de via adiciona etapas de perfuração e laminação; via-in-pad, útil em BGAs, requer preenchimento e revestimento adicional. As placas HDI com microvias formam uma família de processos separada, que nossa linha HDI entrega em 25 dias.

Relevos térmicos

Quando uma almofada passante se conecta a um grande vazamento de cobre, o vazamento atua como um dissipador de calor durante a soldagem. Sem raios de alívio térmico, a almofada pode não atingir a temperatura de soldagem. Direcione as placas conectadas ao plano com alívios térmicos sempre que a classificação atual permitir.

Uma lista de verificação de roteamento prática para executar antes de enviar arquivos:

• Dimensione os traços e fluxos de energia para a corrente sustentada do pior caso, não para a carga típica.
• Use regras de liberação por classe de rede; redes de alta tensão, alta velocidade e de sinal geral raramente precisam do mesmo espaçamento.
• Mantenha a distribuição de cobre em cada camada razoavelmente uniforme e adicione roubo às camadas que estão quase vazias.
• Confirme o traço/espaço mínimo, o anel anular mínimo e o tamanho mínimo da broca com a fábrica antes de finalizar a rota.
• Coloque um plano de referência sólido sob cada rota de alta velocidade ou controlada por impedância.

Materiais e acabamentos de superfície que alteram as regras de roteamento

O substrato e o acabamento alteram os parâmetros de roteamento tanto quanto o circuito elétrico. O FR-4 padrão lida bem com placas digitais e analógicas em geral. O FR-4 de alta Tg resiste à falha de CAF em placas multicamadas espessas e é comum em eletrônicos automotivos; o FR-4 sem halogênio atende aos requisitos ambientais; laminados de alta frequência com Dk e Df controlados são usados ​​para RF e digital de alta velocidade, e a largura do traço necessária para uma linha de 50 Ω muda com cada material.

Placas com núcleo metálico – base de alumínio ou cobre – conduzem calor através do substrato, de modo que os circuitos de energia podem usar rotas mais estreitas, mas a perfuração e gravação de núcleos metálicos seguem regras de projeto diferentes. Nossa linha de produtos inclui placas FR-4, de alta Tg, sem halogênio, de alta frequência, à base de alumínio, à base de cobre e à base de cerâmica, com acabamentos de superfície como OSP, HASL sem chumbo, ouro de imersão e estanho de imersão. A escolha do acabamento afeta principalmente a soldabilidade e a vida útil, por isso deve ser adaptada ao processo de montagem, em vez de ser tratada como algo secundário.

Rota com a fabricação em mente

O roteamento é onde um projeto se torna um objeto físico, e esse objeto é julgado por uma fábrica. Placas enviadas no prazo e que funcionam de maneira confiável raramente são produtos de configurações inteligentes de roteador automático; eles são produtos de larguras de traços dimensionadas para corrente, folgas definidas para tensão, empilhamentos escolhidos para densidade e detalhes de DFM respeitados desde a primeira passagem de layout. Em caso de dúvida, pergunte com antecedência: um protótipo frente e verso de nossa fábrica pode ser entregue em 24 horas, e uma iteração rápida custa muito menos do que um lote de 16 camadas que falha no teste elétrico devido a um erro de espaçamento. Se você precisar de uma recomendação de empilhamento, uma revisão de DFM ou uma cotação para uma placa roteada de 1 a 32 camadas, nossa equipe de engenharia está preparada para responder com detalhes.